研究PLC控制产线机器人系统设计要点

研究PLC控制产线机器人系统设计要点

蔡少敏

（广州因明智能科技有限公司510000）

摘要：本文基于PLC和机器人为研究对象，达到提高制造业生产效率的目的。主要阐述PLC控制产线机器人系统的设计原理、框架结构和实现方法，

关键词：PLC；机器人；工业4.0；选型；通讯接口

随着科技的迅猛发展，人力成本的不断提高，实现生产自动化已经成为发张趋势。近年来，人工成本逐年升高，企业招工越来越困难，生产成本大幅提高并严重制约企业的发展，对于重复性操作的岗位、危险环境的岗位，使用工业机器人代替人工操作成为必然趋势。企业在产线上装配机器人可大大提高生产效率和可靠性，减少人为因素导致产品品质的不稳定，因此生产线引入机器人具有十分广泛的应用前景。机器人实现自动控制需涉及到计算机运算、传感器、自动控制等专业知识。目前，主要通过采用计算机技术和自动控制技术相结合的PLC控制产线机器人系统来实现，使机器人在工作过程中能够执行预先设定的程序，利用传感器识别工作状态进行生产操作，自动地调整生产状态，完成特定任务。本文针对制造业中的机械手进行自动控制功能进行研究，因此在基于PLC控制产线机器人系统中重点以机械手为控制对象，通过对机械手的快速、灵活控制，实现生产任务。

一PLC和机器人的发展历程

1969年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功。由于计算机网络技术和集成电路的迅速发展，PLC向小型化、微型化和高速化发展。在应用中，PLC可与上位机联网，也可下挂PLC，组成分布式控制系统。PLC已广泛应用于冶金、电力、石油、化工、建材、机械、轻工、食品、市政、交通和军工等行业。

1961年，Unimation公司生产的世界上第一台工业机器人在美国特伦顿（新泽西州首府）的通用汽车公司安装运行。1973年，第一台机电驱动的6轴机器人面世。1974年，第一台小型计算机控制的工业机器人走向市场。从这之后，机器人逐渐向着多传感器智能控制方向发展，由于计算机的加入，使得机器人可以完成更为精密并且快速的计算，机器人的发展进入到智能化。

二PLC控制产线机器人系统应用现状

最初的PLC控制产线机器人系统是由汽车工业催生出来的，而发展到现在，最先进的PLC控制产线机器人系统同样是应用于汽车生产。汽车生产线是一个复杂而庞大的控制系统，代表了最先进自动化生产水平。随着科技的进步，自动化成本逐渐下降，加上人力成本的不断上升，除了汽车生产线外，其他行业也开始引入PLC控制机器人系统，如包装行业、化工行业、电子行业等。

三PLC控制产线机器人系统的发展前景

自动化的发展已经进入工业4.0时代，对于工业4.0的最基本理解就是智能制造。智能制造（IntelligentManufacturing，IM）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。所以在工业4.0的进程中，PLC控制产线机器人系统的发展前景将是无法限量的。

四PLC控制产线机器人系统的分类

PLC控制产线机器人系统产品由于功能各异，造成了种类繁多的情形，各自的规格性能也有大相径庭。在此，笔者对其开展一定程度上的分类，一般都是根据PLC控制产线机器人系统在结构上、功能上和规模上的不同来进行大致的分门别类。

1、从结构上，PLC控制产线机器人系统从结构上可分为模块式和整体式；

整体式：将电源、CPU、I/O接口等部件都会集装在一个机箱内，具有构造紧凑、体积小、报价低的特色。小型的PLC控制系统通常都选用整体式的构造。

模块式：将PLC控制系统各组成部分，分别做成若干个独自的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。大、中型通常选用模块式构造。

2、从功能上，可分为低档、中档和高档；

抵挡：一个逻辑操作，自确诊功用，守时，计数，移位和监控，等基本功用外，您还能够运算，数据传送和对比以及少数的模仿量输入/输出功用。首要首要用于顺序操控，逻辑操控或小型单机模仿操控体系的操控。

中档：除了抵挡的功用，并且还具有一个远程I/O，子程序，通讯网络，数字体系的变换，运算，数据传送和对比，以及强大的模拟输入/输出功用。有的还增加PID操控，中断操控等功用，复杂的操控体系。

高级：除了中档功能，并且还具有矩阵运算，逻辑运算，平方根操作，无符号运算功用等特别功用和方式发送制表和核算功用。它有一个更好的通讯网络，分布式网络操控或质量过程操控体系适用于工厂自动化。

3、从规模上，PLC控制系统按输入输出点数可分为小型、中型和大型；

小型：I/O点数小于256点；单CPU、8位或16位处理器，用户存储空间4K字以下。

中型：I/O点数256至2048点；双CPU，用户存储空间2至8K。

大型：I/O点数大于2048点；多CPU，16位或32位处理器，用户存储空间8至16K。

五PLC控制产线机器人系统的选型。

1.电源选择

PLC控制产线机器人系统的供电电源，除了一些小型机直接采用交流电源外，工业PLC一般采用DC24V电源作为工作电源，在选择的时候要注意几个点：一、输入输出参数满足要求。二、电磁兼容性要满足性能指标。三、电源大小要与系统总功耗匹配。在一些重要的应用场合，需采取冗余电源系统或不间断电源。

2.存储器的选择

PLC的工作存储器是程序大小和运算速度的主要限制条件，数据量大的程序所需要的空间自然就打，响应速度要快其性能必需要好。由于计算机集成芯片技能的开展，存储器的报价已降低，因而，为确保使用项目的正常工作，通常要求PLC控制产线机器人系统的存储器容量尽量大一点，按256个I/O点至少选16K存储器。需求复杂操控功能时，应挑选容量更大，层次更高的存储器。

3.输入/输出模块选择

输入/输出模块的挑选应思考与使用需求的一致。例如对输入模块，应思考信号的高低电平、信号传输的远近间隔、信号的阻隔、信号的频率等方面的详细使用需求与标准。对于输出模块的类型（其间包含：晶体管输出、继电器输出以及模拟量输出等等的方法）都是需要思考的条件，它要与使用需求相对应。例如晶体管输出模块，它的输出模块适用于频频的开关，电理性、低功率因数的负荷场合，但其过载才能较差，报价比较来说贵些；继电器输出模块，它具有成本低、电压的使用范围广、呼应时间比较长等特色。模拟量输出一般考虑输出是电压还是电流信号，信号的范围。总之，依据对应的需求，合理挑选智能型的输入/输出模块，以便减少本钱和提高控制性能。而在系统大小上来说，思考是不是需要远程I/O机架或拓展机架也是必要的。

4.通讯接口的选择

目前PLC主流的接口有以太网接口、RS485接口、USB接口等。随着网络化的进程，现在以太网接口是应用最多的接口类型。相比其他接口形式，采用以太网接口有以下几个优点：一、拓扑结构多样、灵活。可支持星型、总线型、环形等结构，也可以混搭。二、速度快。无论从传输速度和带宽来说，都远远优于其他接口。三、可以实现远距离传输，甚至远程控制。以太网长距离传输时，可以通过光电转换器转换为光纤来实现，或者采用远程模块，实现广域网通讯。四、成本低。不论采用网线或者光纤，其成本都低于其他接口的线缆。综上所述，加之目前在工业应用最广的就是基于以太网口的Profinet协议。所以，现在我们设计的时候首先考虑以太网接口的产品。

5、机器人的选择。

机器人本身也是一个独立的控制系统，市面上机器人品牌众多，但我们在选择的时候主要考虑一下几个要点：一、机器人的载荷。包括夹具重量和工件重量。二、机器人的工作范围。三、机器人的安装方式。四、机器人的通讯接口。为了匹配PLC控制系统，一般建议选择带以太网接口。五、夹具配套。夹具是实现功能的最关键部分，非常重要。六、控制柜的选择。根据机器人的功率，安装位置和安装条件选择合适的控制柜。

结论

总之，PLC控制产线机器人系统是一个复杂庞大的控制系统，包含的内容非常之多，我们这里这是针对PLC和机器人简单论述。对于工业4.0来说，PLC控制产线机器人系统也只是其中一小部分，所以工业4.0对于工控人来说还有很长的路要走。

参考文献：

[1]武锋.可编程控制器PLC控制产线机器人系统的基本原理及应用[J].电子世界，2002.

[2]陈在平.可编程控制器技术与应用系统设计[M].北京机械工业出版社，2005.

[3]吴中俊.可编程控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2006.